Глава 6.

Технологический прогресс — техническая основа

развития мировых телекоммуникаций

Начальный этап развития мировых телекоммуникаций характе­ризуется практической реализацией многих блестящих идей: будь то изобретение П.Л. Шиллингом электромагнитного телеграфа или изо­бретение электромеханического телеграфа С. Морзе, изобретение

радио А.С, Поповым или изобретение телефона А. Беллом Но

вскоре на смену отдельным, порой даже гениальным изобретениям пришел рутинный процесс развития телекоммуникационных техно­логий. Автору представляется важным выделить три основные техно­логии, сегодня определяющие развитие мировых телекоммуника­ций: микроэлектронику, волоконную оптику и пакетную коммутацию. Именно прогресс этих технологий определил нынешнее состояние всей отрасли.

В 1965 г. в журнале Electronics Гордон Мур (Gordon Moor) сделал прогноз относительно того, как будет развиваться микроэлектрони­ка. Он предположил, что ежегодно будет удваиваться количество транзисторов в одной микросхеме, в дальнейшем в прогноз были внесены уточнения, и сейчас он звучит следующим образом. Произ­водительность интегральных схем (измеряемая в числе операций в секунду) будет удваиваться каждые 18 месяцев, а их стоимость будет уменьшаться при этом на 50%. Этот прогноз основывался на произ­водственном опыте и поразительной интуиции этого человека. Более чем 40-летняя история убедительно подтвердила правоту этой гипоте­зы, которую в научной литературе назвали зако­ном Мура.

На рисунке 17 приведена диаграмма, иллюстрирующая действие закона Мура.

_intel

Гордону Муру принадлежит интересное сравнение: «Если бы автомо­бильная промышленность раз­вивалась с той же скоростью, что индустрия полупроводников, то

«Роллс-Ройс» смог бы сегодня преодолеть расстояние в полмиллио­на миль на одном галлоне бензина, причем его было бы дешевле каждый раз выбрасывать, чем парковать» [11].

Отдавая дань уважения прозорливости Мура — одного из основа­телей компании Интел (Intel) — на этом же рисунке указаны производи­тельности процессоров, производимых компанией Интел. Справедли­вость закона Мура показывают следующие цифры, которые часто зву­чат в различных презентациях. В 1977 году 1 Мбайт памяти, созданный на микросхемах, стоил 150 тысяч немецких марок. Это было эквива­лентно стоимости половины дома в хорошем уголке Западной Герма­нии. Прошло Шлет, ив 1988 году для создания 1 Мбайта памяти доста­точно было затратить 60 немецких марок, что соответствовало стоимо­сти мужской рубашки. Через 7 лет — в 1995 году тот же объем памяти уже стоил 1 немецкую марку, столько же, сколько стоит почтовая марка. В 2002 году 1 Мбайт памяти стоил всего 5 евроцентов, дешевле, чем жевательная резинка. Эксперты прогнозируют снижение стоимости к 2012 году в 10 раз, что будет соответствовать стоимости листа писчей

бумаги. Если в 1956 году один мегабайт дискового пространства стоил 10 тысяч долларов, то сегодня за эти деньги можно купить несколько компьютеров с емкостью жесткого диска 40 Пбайт.

Еще одной иллюстрацией закона Мура может служить измене­ние стоимости вычислительной мощности (в расчете на 1 миллион операций в секунду). В 1978 году такие расчеты обходились потреби­телю в 480 долларов, в 1985 году — в 50 долларов, в 1995 году — в 4 доллара, причем эта тенденция сохраняется [34].

Сегодня отдельный владелец современного персонального компьютера обладает большими вычислительными возможностями, чем весь центр управления полетом первого космонавта.

Такой революционный прогресс микроэлектроники позволил создать принципиально новую телекоммуникационную технику: от различного типа абонентских терминалов (включая средства персо­нальной коммуникации) до станционного и линейного оборудования различных типов.

Другим важным технологическим решением стало существен­ное расширение пропускной способности линий связи, в первую оче­редь — за счет применения волоконно-оптической техники.

На рисунке 18 показана пропускная способность различных сред передачи кабельных линий связи.

Как видно из приведенного рисунка, наиболее перспективно применение волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Назовем их основные преимущества:

• широкая полоса пропускания;

• низкий уровень затухания сигнала при распространении;

• отсутствие собственных внешних электромагнитных излучений;

• возможность полного диэлектрического исполнения волокон­но-оптических кабелей.

Эти преимущества позволяют создавать линии связи без реге­неративных устройств протяженностью свыше 600 километров. Пол­ное диэлектрическое исполнение обеспечивает нечувствительность к электромагнитным помехам, т.е. позволяет устранить проблемы блуждающих токов, коррозии, грозозащиты, а значит — проклады­вать такие линии, например, в полосе железных дорог или подвеши­вать кабели на контактные опоры линий электропередач. Отсутствие собственных внешних электромагнитных излучений не только устра­няет проблему влияния на другие кабели связи, но и обеспечивает защищенность от перехвата передаваемых сообщений без механи­ческого воздействия на ВОЛС.

Первая коммерческая волоконно-оптическая линия связи была открыта в 1980 году в США между городами Бостон и Ричмонд. В кабеле связи применялось градиентное многомодовое волокно, а на трех рабочих длинах волны достигалась скорость передачи инфор­мации 45 Мбит/с.

Не вдаваясь в историю эволюции оптических кабелей, отме­тим, что их развитие осуществлялось по пути расширения пропу­скной способности, повышения эффективности, качества и надеж­ности, снижения стоимости и расширения ассортимента для при­менения в различных условиях. За прошедшую четверть века стала возможной передача информации по волоконно-оптическим линиям связи с терабитными скоростями при высокой стабильно­сти и минимальном искажении передаваемых сигналов. Сегодня наиболее широкое распространение приобрели одномодовые волоконно-оптические кабели. Одномодовое волокно обладает малым затуханием, слабой частотной зависимостью затухания в пределах окна прозрачности, практически неограниченной поло­сой передаваемых частот, независимостью от внешних электро­магнитных помех. По теоретическим расчетам пропускная способ­ность одного такого волокна составляет 75 Тбит/с, а практически

станет доступной пропускная способность порядка 5 Тбит/с. В настоящее время уже нашли практическое применение системы с пропускной способностью 1,2 Тбит/с.

К современным оптическим технологиям передачи относятся:

• технологии оптических линейных устройств систем передачи;

• технологии оптических усилителей;

• технологии спектрального уплотнения;

• технологии солитонной передачи.

Последняя группа технологий, использующая нелинейные свой­ства оптического волокна, находится в стадии лабораторных иссле­дований. Остальные три группы технологий освоены на практике и часто применяются совместно.

Разработанные для ВОЛС технологии оптических линейных устройств систем передачи — прежде всего, системы передачи, построенные по технологии синхронной цифровой иерархии (СЦИ — SDH, Synchronous Digital Hierarchy). Соответствующий американский стандарт носит название SONET (Synchronous Optical Networks).¹⁸ Идея технологии состоит в упаковке стандартных цифровых потоков¹⁹ Е1 (потоков со скоростью 2048 кбит/с, их ещё называют трибами) в стандартные модули СЦИ. Скорости передачи стандартных модулей приведены в таблице 12.

Таблица 12 Скорости стандартных модулей СЦИ Системы SONET Системы SDH Скорость передачи,

Мбит/с

0С-3 STM-1 155,52

ОС-12 STM-4 622,08

ОС-48 STM-16 2488,2

ОС-192 STM-64 9953,3

ОС-768 STM-256 39813,1

Скорость передачи в 40 Гбит/с с точки зрения сегодняшних тех­нологий можно рассматривать как максимальную, однако по сообще­ниям ряда зарубежных фирм проводятся лабораторные испытания систем со скоростью передачи до 160 Гбит/с.

Одной из современных идей использования волоконно-опти­ческих линий связи является использование технологии высокоско-

^,8 Оба стандарта практически идентичны, за исключением терминологии. ^,9 Используется также упаковка в потоки СЦИ потоков Е2-Е4.

ростной передачи данных для больших сетей Gigabit Ethernet. Эта технология возникла как развитие технологии Ethernet, предложен­ной в 1973 г. в качестве основной технологии локальных сетей. Спе­цификации технологии Gigabit Ethernet определяются стандартом IEEE 802.3z и последующими. Они также одобрены МСЭ. В мае 2002 г. в США была продемонстрирована первая 10-гигабитная сеть общей протяженностью 200 км. С тех пор в мире появилось множество линий этого стандарта. Отметим, что технология 10 Gigabit Ethernet поддерживает передачу данных только по оптическим сетям.

Сравнительная характеристика технологий представлена в таблице 13.

Таблица 13 Сравнительные характеристики технологий высокоскоростной передачи данных Параметр 10 Gigabit STM-16 STM-64

Ethernet Скорость передачи ЮГбит/с 2,5Гбит/с ЮГбит/с

данных

Тип соединения Точка-точка Точка-точка Точка-точка

Резервирование + + +

Примерная стоимость $45 000 $80 000 $360 000

на один магистральный порт

Прогресс в области оптических линий связи иллюстрирует рису­нок 19.

Технологии оптических усилителей обеспечивают усиление группового оптического сигнала и позволяют увеличить расстояние между усилительными пунктами до нескольких сотен километров. Эти технологии преимущественно применяются совместно с техно­логиями оптических линейных устройств систем передачи.

Наиболее активно в настоящее время развиваются технологии спектрального (или волнового) уплотнения WDM (Wavelength Division Multiplexing) и DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Сигналы СЦИ (например, несколько потоков STM-16) распределяются по опре­деленным длинам волн, которые затем мультиплексируются в единый поток (сигнал) в одном волокне. Сигнал переносится от точки мультиплексирования до точки демультиплексирования в оптической форме с использованием возможностей технологии широкополосных

оптических усилителей без промежуточных преобразований. Оборудо­вание DWDM производят различные фирмы, такие как Lucent Technolo­gies, Siemens, NEC, Alcatel, Nortel Networks, ECI и другие.

95

В настоящее время в мире все больший интерес проявляется к технологии грубого спектрального мультиплексирования CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), позволяющей при сравни­тельно небольших затратах увеличить пропускную способность существующих оптических линий связи.

Технология CWDM наиболее эффективна на городских телефон­ных сетях, технология DWDM — на магистральных. В некоторых слу­чаях применяются комбинированные решения DWDM/CWDM.

Ещё одна важная технология, предопреде­лившая дальнейшее развитие телекоммуникаций — технология пакетной коммутации (packet switching). Её «отцом» называют Пола Бэрена (Paul Baran) — сотрудника Rand Corporation из Калифорнии, в 1962 году предложившего метод коммугации пакетов для передачи информации по сетям электросвязи [61]. Называется и его доклад; «On Distributed Communications Networks» («О распределенных сетях передачи данных»).

В некоторых других источниках [35] вспоминают также имя Дональда Дэвисона (Donald W, Davies) из Британской национальной физической лаборатории. Необходимо заметить, что в книге «Сети связи для вычислительных машин», русскоязычный перевод которой был выпущен в 1976 году [31], сам Дэвисон отдает приоритет Бэрену

Среди авторов идей пакетной комму­ тации называется также имя Леонарда Клейнорка (Leonard Kleinrock) из Массачусетского технологического

института, который в 1964 году издал одну из первых книг по данной проблеме.

Так часто бывает в мире телекомму­никаций — яркая идея одновременно при­ходит разным специалистам из разных стран. Достаточно вспомнить именаА.С. Попова и Вильгельма Маркони, Алек­сандра Белла и Элайша Грея, В.А. Котельни-кова и Гарри Найквиста (кстати, ещё одного сотрудника Bell Telephone Laboratories, о которых мы упоминали в первой главе).

В середине 60-х годов научные рабо­ты по пакетной коммутации велись парал­лельно в нескольких научных центрах, причем при полном отсутствии обмена информацией о деятельности коллег. Лич­ное общение специалистов различных центров произошло только в 1967 году на научной конференции. С тех пор в терми­нологии сетей передачи данных стал общеупотребительным термин «пакет».

Суть метода коммутации пакетов состоит в том, что длинные сообщения разбивают на короткие блоки определенных размеров (пакеты), и вместо передачи сообщения целиком осуществляется его передача по частям (пакетами).

В сетях с коммутацией пакетов применяются два способа пере­дачи пакетов: передача дейтаграмм и образование виртуальных каналов. Первый способ основан на том, что пакеты обрабатываются независимо друг от друга. В каждой дейтаграмме указывается адрес, и пакеты движутся по сети по произвольным маршрутам. В таких

сетях нет подтверждения приема пакетов, поэтому эти сети иногда называются «ненадежными». В последнее время применяются спе­циальные меры, обеспечивающие повышение качества работы. При­мерами сетей, реализующих дейтаграммный способ передачи паке­тов, являются сети IP или Ethernet.

Механизм виртуальных каналов создает в сети устойчивые пути следования пакетов. Обычно между двумя конечными узлами сети устанавливается несколько путей следования трафика (виртуальных каналов), как совпадающих между собой, так и отличающихся. Какие именно потоки будут передаваться по этим путям, решают сами око­нечные узлы (например, для электронной почты может быть один путь, а для трафика реального времени — другой). Примерами сетей, реализующих способ передачи пакетов по виртуальным каналам, являются сети, построенные по протоколу Х.25 или ATM.

На технологии коммутации пакетов базируется современная сеть сигнализации телекоммуникационных систем — сеть ОКС-7.

Начало разработки системы сигнализации ОКС-7 относится к 1973 году. В 1980 году эта система была стандартизована МСЭ (Рекомендации серии Q) и сегодня является основной системой сиг­нализации для сетей с коммутацией каналов. Как образно выразился один из наиболее ярких российских специалистов в сфере телеком­муникаций профессор М.А. Шнепс-Шнеппе «сеть сигнализации ОКС-7 — пожалуй, самое ценное наследие телефонных сетей».

Основными элементами сети сигнализации ОКС-7 являются пункты сигнализации. Под пунктом сигнализации понимается любой объект (АТС, центр коммутации подвижной связи и т.д.), оснащенный программно-аппаратными средствами ОКС-7. Различают следую­щие основные типы пунктов сигнализации:

• SP (Signalling Point) — пункт сигнализации с функциями под­систем пользователей и прикладных подсистем ОКС-7;

• STP (Signaling Transfer Point) — транзитные пункты сигнализа­ции, обеспечивающие только функции подсистемы передачи сооб­щений;

• SPR (Signalling Point with SCCP Relay function) — транзитный пункт сигнализации с функциями обработки протоколов SCCP;

• SSP (Signalling Switching Point) — узел коммутации услуг интел­лектуальной сети;

• SCP (Signalling Control Point) — узел управления услугами интел­лектуальной сети.

Архитектуру построения сети ОКС-7 упрощенно можно предста­вить в виде нескольких плоскостей, соответствующих международ­ному и национальным уровням сети сигнализации, при этом сети в каждой плоскости являются независимыми.

Несмотря на применение в системе сигнализации технологии коммутации пакетов, исторически сложилось так, что в сети ОКС-7 используются понятия не адрес, но код и номер.

Один физический узел сети не может быть более чем одним пунктом сигнализации в международной сети и соответственно не может иметь более одного кода ISPC (International Signalling Point Code). Система нумерации кодов ISP определена в Рекомендации МСЭ-Т Q.708 «Процедуры назначения кодов международному пункту сигнализации».

Однако для установления телефонных соединений в сетях с коммутацией пакетов необходимо применение других протоколов. Наиболее распространены два протокола:

• протокол Н.323, разработанный под эгидой МСЭ в развитие ОКС-7 для сетей пакетной коммутации;

• протокол SIP (Session Initiation Protocol), разработанный Интер­нет-форумом IETF. Модификация этого протокола SIP-T (SIP for Tele­phones) обеспечивает взаимодействие с протоколом сигнализации ОКС-7.

Телекоммуникационные технологии находятся в непрерывном развитии. Мир активно идет к био- и нанотехнологиям, при примене­нии которых многие нынешние технологии будут казаться такими же простыми, как игрушечный автомобиль в сравнении с грузовиком.

Однако читатель может быть спокоен — это вопрос не сегод­няшнего, и даже не завтрашнего дня, и сегодняшние передовые решения будут востребованы еще долгие годы.